Текст книги "Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную"

Мартин Рис
Всего шесть чисел: Главные силы, формирующие Вселенную

Переводчик Виктория Краснянская

Редактор Антон Никольский

Научный редактор Сергей Попов, д-р физ. – мат. наук

Руководитель проекта Д. Петушкова

Арт-директор Ю. Буга

Корректоры М. Миловидова, С. Чупахина

Компьютерная верстка М. Поташкин

© 2000 by Martin Rees

Published by Basic Books, A Member of the Perseus Books Group

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2018

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

ПРЕДИСЛОВИЕ

Астрономия – одна из первых наук, связанных с числами, в древние времена игравшая чрезвычайно важную роль в создании календарей и мореплавании. Сейчас астрономия переживает новую эпоху открытий. Волнующий переход в новое тысячелетие значительно повысил интерес к нашему космическому окружению. Астрономия все еще остается наукой чисел, и эта книга рассказывает о шести из них, принципиально важных для Вселенной и нашего места в ней.

На древних картах за пределами зыбких границ изведанных земель картографы часто писали: «Здесь водятся драконы». После того как первые мореплаватели обогнули земной шар и в общих чертах нанесли на карты континенты и океаны, отправившиеся в путешествия исследователи принялись заполнять их деталями. Однако не осталось никакой надежды обнаружить новый континент, и никто не ждал кардинальной переоценки формы и размера Земли.

Примечательно, что в начале XXI в. мы достигли нового этапа в составлении карты Вселенной: главным предметом интереса теперь является ее крупномасштабная структура. К этому этапу мы пришли благодаря коллективным достижениям тысяч астрономов, физиков и инженеров, использующих разнообразное техническое оборудование. Современные телескопы способны заглянуть глубоко в космос. Поскольку свет от далеких объектов совершает длинное путешествие, добираясь до нас, телескопы дают возможность увидеть далекое прошлое. Мы обнаружили «ископаемости», оставшиеся от первых нескольких секунд космической истории. Космические аппараты открывают нейтронные звезды, черные дыры и другие потрясающие объекты, которые расширяют знания о физических законах. Эти достижения широко раздвинули наши космические горизонты. Параллельно идет исследование микромира внутри атомов, позволяющее по-новому взглянуть на природу пространства в самых крошечных масштабах.

Постепенно вырисовывается картина – карта, существующая как во времени, так и в пространстве, – которую многие из нас не ожидали увидеть. Она предлагает новую точку зрения на то, как одно-единственное «событие зарождения» создало миллиарды галактик, черных дыр, звезд и планет, и на то, как здесь, на Земле (а возможно, и на других планетах), атомы соединились в живые существа, достаточно сложные, чтобы размышлять о своем происхождении. Постепенно нам открываются глубинные связи между звездами и атомами, между космосом и микромиром. В этой книге при минимальном использовании специальной терминологии описываются силы, которым подвластны мы и, более того, вся Вселенная. Наше появление и выживание зависит от особой «настройки» космоса – космоса, который может быть гораздо обширнее той Вселенной, которую мы видим в настоящее время.

БЛАГОДАРНОСТИ

Прежде всего мне хотелось бы отдать должное коллегам, вместе с которыми я многие годы занимаюсь исследованиями. Но не менее благодарен я и тем, кто участвует в космологических обсуждениях, не являясь специалистом в этой области: беседы с ними всегда привносят свежий взгляд, подтверждают общую картину и напоминают о том, что самые важные вопросы все еще остаются без ответа. Поэтому особые благодарности Дэвиду Харту, Грэму Митчисону, Хансу Розингу и Нику Веббу. Эта книга предназначена именно для широкого круга читателей. Я пытался, избегая специальной терминологии и технических подробностей, показать взаимосвязи новых открытий, отделить хорошо обоснованные утверждения от предположений и обратить внимание читателя на те тайны, которые лежат за ними.

Я благодарен Джону Брокману, который пригласил меня принять участие в серии книг Science Masters, а также за его терпение во время медленного рождения этой книги. Тоби Манди и Эмма Бакстер из издательства Weidenfeld & Nicolson оказали мне большую поддержку в процессе редактирования и подготовки книги к печати. Я благодарен им, а также Ричарду Сворду и Джупу Шайе – за подготовку иллюстраций, Брайану Амосу – за алфавитный указатель, а Джудит Мосс – за помощь в выполнении обязанностей секретаря.

ГЛАВА 1
КОСМОС И МИКРОМИР

Человек… нераздельно связан со всем сущим, с известным и неизвестным… с планктоном, с фосфоресцирующей гладью моря, с кружащимися планетами и расширяющейся Вселенной – все это пронизано эластичной струной времени. Хорошо оторвать взгляд от приливной заводи и посмотреть на звезды, а потом – снова взглянуть на их отражения в приливной заводи.

Джон Стейнбек. Море Кортеса

ШЕСТЬ ЧИСЕЛ

Ткань нашей Вселенной поддерживают математические законы – им подвластны не только атомы, но и галактики, звезды, люди. Свойства атомов – размеры, массы, силы, связывающие их вместе, – определяют устройство нашего повседневного мира. Само существование атомов зависит от сил и частиц в их глубинах. Объекты, которые изучают астрономы – планеты, звезды, галактики, – подвластны силе притяжения. И происходит все это в расширяющейся Вселенной, основные свойства которой были предопределены в момент Большого взрыва.

Наука движется вперед, выявляя структуры и закономерности нашего мира так, чтобы возможно большее количество явлений можно было описать в рамках общих категорий и законов. Физики-теоретики ставят себе целью предельно лаконично выразить сущность физических законов в единой системе уравнений и в нескольких числах. В этой области удалось достигнуть значительного прогресса, хотя по-прежнему есть над чем работать.

В этой книге описываются шесть чисел, которые считаются наиболее важными. Два из них связаны с основными силами; другие два определяют размер и общую структуру Вселенной и показывают, будет ли она существовать вечно; еще два говорят о свойствах самой Вселенной:

● Вселенная простирается так далеко из-за того, что в природе существует чрезвычайно важное огромное число N, равное 1 000 000 000 000 000 000 000 000000 000 000 000. Это число является отношением силы электрического притяжения, удерживающей атомы вместе, к силе гравитационного притяжения между ними. Если бы в числе N было хоть немного меньше нулей, могла бы существовать только короткоживущая миниатюрная вселенная: ни одно существо не могло бы стать больше насекомого, и времени на биологическую эволюцию не хватило.

● Другое число, ε (эпсилон), значение которого составляет 0,007, определяет, насколько прочно связаны ядра атомов и как атомы формируются. От его значения зависит светимость Солнца и, более опосредованно, то, как внутри звезд водород преобразуется во все элементы периодической таблицы. Углерод и кислород распространены повсеместно, а золото и уран встречаются редко – и все это из-за процессов, которые происходят внутри звезд. Если бы ε равнялось 0,006 или 0,008, мы вообще бы не существовали.

● Космическое число Ω (омега) измеряет количество вещества во Вселенной – галактик, рассеянного между ними газа и темной материи. Ω указывает нам на важность отношения между силами притяжения и расширением Вселенной. Если бы это отношение было слишком высоким по отношению к определенному критическому значению, Вселенная давно бы схлопнулась. Если бы оно было слишком низким, не сформировались бы галактики и звезды. Кажется, первоначальная скорость расширения Вселенной была идеально рассчитана.

● Измерение четвертого числа λ (лямбда) было самой крупной научной новостью 1998 г. Сила, о которой совершенно не подозревали – космическая «антигравитация», – контролирует расширение Вселенной, хотя и не оказывает какого-либо заметного эффекта на расстояниях меньше миллиарда световых лет (далее – св. лет). Со временем ей предначертано стать доминирующей над силой притяжения и другими силами, по мере того как наша Вселенная будет становиться все более пустой и темной. К счастью для нас (и к удивлению физиков-теоретиков), λ очень мала. Иначе бы ее воздействие не позволило сформироваться галактикам и звездам и космическая эволюция закончилась бы, даже не начавшись.

● Элементы всех космических структур – звезд, галактик и скоплений галактик – несут на себе отпечаток Большого взрыва. Сущность нашей Вселенной зависит от одного числа, Q, которое представляет собой соотношение двух фундаментальных энергий и составляет примерно 1/100 000. Если бы Q было еще меньше, Вселенная была бы инертной и не имела сложной структуры. Если бы Q было значительно больше, на месте Вселенной возникло бы очень мрачное место, где звезды и планетные системы были бы поглощены огромными черными дырами.

● Шестое жизненно важное число известно уже много столетий, но теперь его рассматривают с новой точки зрения. Это количество пространственных измерений нашего мира, D, и равно оно трем. Жизнь не смогла бы существовать, если бы D равнялось двум или четырем. Время – это четвертое измерение, но оно отличается от остальных тем, что имеет направленность: мы можем двигаться только в направлении будущего. Около черных дыр пространство так искривлено, что свет движется по кругу, а время может стоять на месте. Более того, сразу после Большого взрыва в микромасштабах пространство уже могло обнаружить свою глубинную структуру, лежащую в основе всего, – вибрацию и гармонию объектов, называемых «суперструнами», в десяти измерениях.

Возможно, между этими числами существуют какие-то связи. Тем не менее на данный момент мы не можем вычислить какое-либо из них, отталкиваясь от значений других. Не знаем мы и того, сможет ли какая-нибудь «теория всего» в конце концов создать формулу, которая установит взаимосвязь между ними или определит их однозначно. Я выделяю именно эти шесть чисел, потому что каждое из них играет решающую и особую роль в нашей Вселенной, а вместе они определяют, как она развивается и какие имеет внутренние потенциальные возможности. Более того, три из этих чисел (те, которые относятся к крупномасштабной вселенной) только недавно были измерены с достаточной точностью.

Эти шесть чисел составляют «рецепт» эволюции Вселенной. Более того, результат очень чувствителен к их значениям: если бы любое из них было чуть-чуть другим, не было бы звезд и не могла бы существовать жизнь. Является ли такая точная «настройка» всего лишь случайностью, совпадением? Или в этом проявляется воля милосердного Творца? Я придерживаюсь третьего мнения. Бесконечное количество вселенных прекрасно может существовать там, где эти числа другие, только большинство из этих вселенных были бы мертворожденными или стерильными. Мы могли появиться (и поэтому сейчас существуем) только во вселенной с «правильной» комбинацией. Осознание этого дает совершенно новую точку зрения на Вселенную, наше место в ней и на саму природу физических законов.

Поразительно, что расширяющаяся вселенная, отправная точка которой так «проста», что может быть определена всего несколькими числами, может развиться (если эти числа «настроены» подходящим образом) в столь затейливо структурированную упорядоченную систему. Итак, для начала нам придется обставить нашу «сцену», рассмотрев эту структуру во всех масштабах, от атомов до галактик.

ВСЕЛЕННАЯ ЧЕРЕЗ ЗУМ-ОБЪЕКТИВ

Давайте начнем с самого обыкновенного фотоснимка – мужчина и женщина, сфотографированные крупным планом с расстояния в несколько метров. Потом представим себе тот же кадр, сделанный с постепенно увеличивающегося расстояния, которое каждый раз становится в десять раз больше предыдущего. На втором снимке будет виден клочок травы, на которую они присели, на третьем станет понятно, что они находятся в парке, на четвертом в кадр попадут какие-то высокие здания, пятый покажет весь город, а следующий – часть земного горизонта, на котором отчетливо видно, что он изгибается. Еще пара кадров – и мы получим великолепное изображение, которое стало знакомым с 1960-х гг.: вся Земля – с континентами, океанами и облаками, со своей атмосферой – кажется просто покрытой нежной глазурью, контрастирующей с бледными чертами Луны.

Еще три шага покажут внутренние планеты Солнечной системы с Землей, обращающейся вокруг Солнца по более широкой орбите, чем Меркурий и Венера, следующий кадр – всю Солнечную систему. Еще четыре кадра (вид из точки, отдаленной на несколько св. лет) – и наше Солнце выглядит как одна из многих звезд. Еще через три кадра мы увидим миллиарды практически неотличимых друг от друга звезд, собранных в плоском диске Млечного Пути, растянувшегося на десятки тысяч св. лет. Еще три шага позволят увидеть Млечный Путь как спиральную галактику, вместе с Туманностью Андромеды. Глядя с большего расстояния, мы увидим, что эти две галактики – лишь пара из сотен других – окраинные жители галактического Скопления Девы. Следующий шаг покажет, что Скопление Девы – это всего лишь достаточно скромное скопление из многих других. Даже если бы наш воображаемый объектив имел мощность Космического телескопа имени Хаббла, в последнем кадре с расстояния в несколько миллиардов километров вся наша Галактика была бы трудноразличимым пятнышком света.

Здесь наша серия снимков заканчивается. Дальше мы не можем расширять горизонт, но для того, чтобы, начав с «человеческого» масштаба в несколько метров, достигнуть границ обозримой вселенной, нам понадобилось 25 «скачков», каждый в десять раз больше предыдущего.

Следующий ряд увеличений будет направлен внутрь, а не вовне. С расстояния менее метра мы видим руку, с расстояния в несколько сантиметров – так близко, как только мы можем смотреть невооруженным глазом, – маленький кусочек кожи. Следующий снимок позволит нам проникнуть в тонкую структуру человеческой кожи, а вслед за ним – внутрь отдельной клетки (в человеческом теле клеток в сотни раз больше, чем звезд в нашей Галактике). Далее в пределах мощности сильного микроскопа мы попадем в королевство отдельных молекул – длинных, запутанных нитей протеинов и двойных спиралей ДНК.

Следующее приближение покажет нам отдельные атомы. Здесь начинают проявляться квантовые эффекты: есть предел отчетливости картинки, которую мы можем получить. Ни один реально существующий микроскоп не может проникнуть внутрь атома, где рой электронов окружает положительно заряженное ядро, но структуры в 100 раз меньше атомного ядра можно исследовать, изучая, что происходит, когда в них врезаются другие частицы, ускоренные до скорости, приближенной к скорости света. Это самые мелкие детали, которые мы можем измерить напрямую; тем не менее мы подозреваем, что в глубинной структуре мироздания могут лежать суперструны или «квантовая пена», имеющие такие маленькие размеры, что для того, чтобы до них добраться, потребуется еще 17 приближений{1}1
  Изображения, отражающие весь диапазон масштабов нашей Вселенной от самых больших к самым маленьким, впервые были представлены голландцем Кисом Биком в книге «Космическая точка зрения: Вселенная в сорока прыжках» (Cosmic View: the Universe in Forty Jumps, John Day, 1957). Эти изображения развились далее и стали популярны после выхода книги и фильма под названием «Степени десяти» (Powers of Ten), представленных Чарльзом и Рэй Имз совместно с Филиппом и Филлис Моррисон (W. H. Freeman, 1985).


[Закрыть].

Наши телескопы могут заглянуть на расстояние, которое больше суперструны (самой маленькой подструктуры, предположительно существующей внутри атома) в количество раз, которое можно выразить шестидесятизначным числом: чтобы получить изображение природного мира, нам потребуется приблизиться на нашем воображаемом объективе на 60 шагов (из которых в настоящее время возможны только 43). Из всех этих «кадров» наш обычный опыт может включать самое большее девять – от самых маленьких частиц размером примерно в миллиметр, которые может видеть наш глаз, до расстояния, которое мы преодолеваем во время перелета между континентами. Это подчеркивает нечто очень важное и значительное, но при этом столь очевидное, что мы принимаем его как данность: наша Вселенная включает в себя громадный диапазон расстояний и огромное разнообразие структур, которые могут быть намного больше и намного меньше тех измерений, в которых мы проводим свою повседневную жизнь.

БОЛЬШИЕ ЧИСЛА И РАЗНЫЕ МАСШТАБЫ

В каждом из нас от 10²⁸ до 10²⁹ атомов. Это «человеческое измерение» с точки зрения чисел находится где-то между массой атомов и массой звезд. Масса Солнца примерно равна массе такого же количества людей, сколько в каждом из нас атомов. Но наше Солнце – самая обыкновенная звезда в Галактике, состоящей из сотен миллиардов звезд. В видимой Вселенной по меньшей мере столько же галактик, сколько звезд в Галактике. Таким образом, в зону видимости наших телескопов попадают более 10⁷⁸ атомов.

Живые организмы состоят из множества слоев сложных структур. Атомы соединяются в сложные молекулы. Молекулы сложными путями реагируют друг с другом в каждой клетке и выстраиваются в большие взаимосвязанные структуры, из которых состоит дерево, насекомое или человек. Мы занимаем место между космосом и микрокосмом – находимся посередине между Солнцем, имеющим диаметр в миллиард метров, и молекулой с диаметром в миллиардные части метра. Нет никакой случайности в том, что природа наиболее сложно устроена именно в таком среднем масштабе: что-либо большего размера, находящееся на обитаемой планете, разрушилось бы под воздействием гравитации.

Мы привыкли к мысли о том, что микромир воздействует на нас: мы беззащитны перед вирусами размером в миллионные доли метра, а в крохотной двойной спирали ДНК содержится наш генетический код. Не менее очевидно и то, что мы зависим от Солнца и его мощи. Но что насчет структур более крупного масштаба? Даже ближайшие к нам звезды находятся в миллионы раз дальше, чем Солнце, а известный нам космос простирается еще в миллиарды раз дальше. Почему существует так много пространства за пределами Солнечной системы? В этой книге я опишу, каким образом мы связаны со звездами, и докажу, что невозможно раскрыть тайны нашего собственного происхождения вне космического контекста.

Глубокие связи между «внутренним пространством» мира внутри атомов и «внешним пространством» космоса показаны на рисунке 1.1 в виде Уробороса, который в энциклопедии «Британника» описывается как «используемый в культурах Древнего Египта и Древней Греции символический змей, кусающий себя за хвост, постоянно пожирающий себя и возрождающийся… [Он] обозначает единство всех материальных и духовных сущностей, которое никогда не исчезает, но постоянно меняет форму в вечном цикле разрушения и возрождения».

Слева на иллюстрации показаны атомы и внутриатомные частицы – это квантовый мир. Справа находятся планеты, звезды и галактики. В этой книге мы уделим внимание некоторым важным связям между микромасштабными структурами слева и структурами макромира справа. Мир нашей повседневной жизни определяется атомами и тем, как они соединяются в молекулы, минералы и живые клетки. То, как светят звезды, зависит от того, из каких ядер состоят их атомы. Галактики могут держаться вместе из-за силы притяжения огромного роя субъядерных частиц. «Гастрономически» символизируемая, эта иллюстрация воплощает величайшую связь, которая ускользает от нас, – соединение между космосом и квантом.

Уроборос охватывает 60 порядков величины. На самом деле такой огромный диапазон является необходимым условием для «интересной» вселенной. Вселенная, где нет больших чисел, никогда не сможет развить сложную иерархию структур – она будет скучным местом, где, конечно же, не будет никакой жизни. Кроме того, должны быть и большие временные промежутки. Процессы внутри атома могут происходить за миллионные или миллиардные доли секунды, а около ядра они происходят еще быстрее. Сложные процессы, которые превращают зародыш в кровь, кости и плоть, требуют непрерывного клеточного деления и образования новых структур. При этом каждое из них влечет за собой тщательную перегруппировку и воспроизведение молекул. Эта деятельность никогда не прекращается, пока мы едим и дышим. Наша жизнь – это всего лишь одно поколение в эволюции человечества, всего один эпизод, являющийся проявлением всей совокупности жизни.

Огромные промежутки времени, необходимые для эволюции, дают новую точку зрения на вопрос: «Почему наша Вселенная так велика?» Для того чтобы здесь, на Земле, появились люди, потребовалось 4,5 млрд лет. Еще до того, как сформировались Солнце и планеты, в существующих ранее звездах чистый водород должен был превратиться в углерод, кислород и другие элементы периодической системы. Это заняло около 10 млрд лет. Размер наблюдаемой Вселенной примерно равен тому расстоянию, которое прошел свет со времени Большого взрыва, поэтому современная видимая Вселенная должна иметь протяженность около 10 млрд св. лет.

Это ошеломляющее заключение. Сама огромность Вселенной, которая на первый взгляд указывает на нашу незначительность в космической схеме, на самом деле связана с нашим существованием. Никто не говорит, что Вселенная не могла быть меньше, просто мы не смогли бы в ней существовать. Расширение космического пространства – это не экстравагантное излишество, это последствие длинной цепи событий, которые начались еще до того, как сформировалась Солнечная система, и привели к нашему появлению на сцене.

Это может показаться возвращением к древней «антропоцентрической» точке зрения – той, которая была поколеблена открытием Коперника, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Но мы не должны заходить слишком далеко в скромности Коперника (которую иногда называют «принципом посредственности»). Таким существам, как мы, для развития были нужны особые условия, поэтому наша точка зрения обречена на то, чтобы быть нетипичной. Протяженность нашей Вселенной не должна нас удивлять, хотя мы можем по-прежнему искать более глубокие объяснения ее отличительным чертам.